煤矿井下瓦斯/空气预混气体爆燃给安全生产带来了极大的灾害^[1-2]，同时该类问题也一直是力学学科和安全学科所研究的经典问题和前沿问题。近年来，学者们对其研究方法可分为数值模拟^[3-4]和激波管实验^[5-8]两类。目前虽然数值模拟已经可以揭示火焰传播过程中的流动现象，有助于理解层流火焰向湍流火焰转变、燃烧不稳定性和火焰形态变化等^[9-10]，但是其计算结果却可能因为受到算法及网格的影响而产生偏差，因此激波管实验仍然是该类问题不可替代的研究方法。目前激波管实验已经由现代的超高速纹影和瞬态光谱测试系统取代了传统的压力火焰速度传感器测试系统，可以得到预混气体爆燃过程中激波的演化过程及火焰的微观结构^[11-12]。但在激波管配合超高速纹影和瞬态光谱系统进行微观流场测试时却涉及到多个目标的时间尺度控制问题，如电火花点火响应时间、激波阵面到达观察窗时间、火焰阵面到达观察窗时间、控制惰性阻燃剂喷射系统的响应时间、瞬态光谱ICCD相机电子快门响应时间和超高速相机CCD电子快门响应时间等。上述目标的时间特征分别从秒到纳秒量级，为得到清楚的流场微观结构和光谱图像，需协调多个目标的时间，完成同步控制。本文通过实验研究确定激波管测试系统中不同目标的时间特征，设置合理的延时时间，为完成系统中预混气体爆燃过程激波演化及火焰微观结构测试奠定基础。

1.   实验系统介绍

图1为获取瓦斯/空气预混气体爆燃过程中激波形成过程和火焰微观结构流场显示的实验系统图。实验系统包括激波管、高压点火系统、真空系统、预混系统、压力信号采集系统、火焰信号采集系统、阻燃剂喷射系统和高速摄影系统组成。激波管是截面形状为200 mm×200 mm的正方形，管道共11段，总长为27.5 m，观察窗口设置在末段管道，采用两块直径为200 mm的石英玻璃；高压点火系统由低压正极和地线产生放电，击穿高压正极和地线间的介质，完成点火；真空系统由旋片泵和罗茨泵组成，其中旋片泵抽速为$90\;{{\rm{m}}^3}/{\rm{h}}$，极限真空度0.7 Pa、罗茨泵抽气速度为$500\;{{\rm{m}}^3}/{\rm{h}}$，极限真空度0.4 Pa；预混系统采用激波管外预混的思想，将甲烷和空气分别按照预定的体积百分数充入密闭罐中，待静止数小时后充入激波管内作为实验气体备用；压力信号采集系统包括压电压力传感器和数据采集卡，其中传感器的采样频率为500 kHz，最大量程为6.9 MPa、数据采集卡的最高采样频率为20 MHz；火焰信号采集系统包括光电二极管和数据采集卡，其中光电二极管可将火焰产生的光信号通过光纤导入并转化为电信号。

图  1  多目标同步同步控制系统实验原理图

1. Ultra high speed acquisition; 2. Transient spectrum; 3. Solid state relay; 4. DG64; 5. Signal generator; 6. Igniter; 7. Digital acquisition; 8. Pulse laser; 9. Roots pump; 10. Control cabinet

Figure  1.  Multi-objective synchronous control system

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2.   实验系统变量时间特征分析及同步控制方案

为了通过超高速纹影系统获得更好的火焰与阻燃剂相互作用的流场图像，需要对实验系统中各个变量的时间特征加以分析，目的是使火焰到达观察窗时，阻燃剂刚好喷射与火焰作用并且同时打开CCD和ICCD电子快门，获得爆炸流场微观信息。在整套实验系统中需要同步控制的时间变量如表1所示，分析可知实现同步控制的时间关系式为：

表  1  同步控制实验系统中的变量

Table  1.  Variables in synchronous control experiment system

变量	含义	备注
t0	信号发生器产生电平TTL0的时刻	定义该时刻为系统的“0”时刻
t1	高压点火装置放电响应时间	本文需实验测得响应时间尺度
t2	预混气体点火延时时间	认为相同物质相同压力下该时间一致[13]
t3	火焰运动到观察窗时间	需要通过多组实验得到较好的重复性[14]
t4	阻燃剂喷射系统响应时间	本文需实验测得响应时间尺度
t5	阻燃剂运动到观察窗时间	认为相同压力等长管路下该时间一致
t6	触发瞬态光谱ICCD快门时刻	电子快门响应时间为ns级可忽略
t7	触发超高速相机CCD快门时刻	电子快门响应时间为ns级可忽略
td	通道设置延时时间	由上述各个变量确定

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此处仍有必要对式(1)加以分析，定义${T_1} = {t_1} + {t_2} + {t_3}$、${T_2} = {t_4} + {t_5} + {t_d}$：（1）若${T_1} \text{＞} {T_2}$，说明通道设置的延时时间${t_d}$过小，则在火焰未达到观察窗前，阻燃剂喷射系统已经开始工作，惰性介质就会干扰观察窗附近预混气体的组分，改变爆炸流场的微观信息；（2）若${T_1} \text{＜} {T_2}$，说明通道设置的延时时间t_d过大，则在火焰到达观察窗后，阻燃剂喷射系统仍未工作，影响惰性介质的阻燃效果。

因此多目标耦合的时间同步控制是本套实验的核心技术，即要求${T_1} = {T_2}$。实现${T_1} = {T_2}$的同步控制方案如图2所示。

图  2  高压点火装置与阻燃剂喷射装置同步控制实验方案示意图

Figure  2.  Schematic diagram of synchronous control experiment scheme for the high pressure ignition device and the flame retardant injection device

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系统工作过程如下：函数信号发生器产生电平TTL0送入时间延时器的输入端，在输出端的两个通道CH1和CH2分别产生电瓶TTL1和TTL2；电平TTL1经过固态继电器控制高压放电点火系统中的低压正极和地线产生放电，其能量可击穿系统中高压正极和地线间的介质，实现高压放电；电平TTL2经过固态继电器启动阻燃剂喷射系统，喷射CO₂/N₂/H₂O等。

上述过程的关键为控制电平TTL1与电平TTL0的延时时间ΔT₁和电平TTL2与电平TTL0的延时时间ΔT₂，结合表1和图2分析可知$\Delta {T_1} + {t_1} + {t_2} + {t_3} = {t_4} = {t_5} + \Delta {T_2}$，通常在实验中使用的时间延时器延时精度不大于2 s，可近似认为ΔT₁=0，因此$\Delta {T_2} = {t_d} = \left( {{t_1} + {t_2} + {t_3}} \right) - \left( {{t_4} + {t_5}} \right)$，其中${t_2}$、${t_3}$、${t_5}$需要多次重复实验确定，不是本文所研究的重点内容，而${t_1}$、${t_4}$的时间响应需要本文实验测得。

3.   实验原理及测试方案

3.1   高压点火装置响应时间测试

由上述分析可知，为了实现实验系统中多目标的同步控制，本小节通过实验确定高压点火系统中，低压正极与地线产生放电到击穿高压正极与地线间介质的响应时间。图3给出了高压点火系统的测试方案。

图  3  高压点火系统放电响应时间t₁测量方案示意图

Figure  3.  Schematic diagram of t₁ measurement scheme for discharge response time of high voltage ignition system

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测试方案如下：(1) 将中尺度激波管道点火端的尼龙法兰安置在实验台上；(2) 将火焰测速光纤利用支架固定在高压点火电极附近；(3) 示波器分别记录函数信号发生器产生的TTL信号启动固态继电器的时刻t₁₁和测速光纤连接的光电管PD或光电倍增管PMT输出信号时刻${t_{12}}$，则${t_1} = {t_{12}} - {t_{11}}$；(4) 重复上述测试过程，求得N次实验的平均值。

3.2   阻燃剂喷射系统响应时间测试

同样图4给出了阻燃剂喷射系统工作响应时间的测试原理图。测试方案如下：(1) 将一张打印纸覆盖在激波管实验段内惰性介质喷射孔上，通过有机玻璃观察窗可拍摄打印机运动轨迹；(2) 利用函数信号发生器产生标准TTL电平，经过时间延时器后分出两路信号，同时作用于固态继电器和CCD相机的外触发端口；(3) 数据采集系统和示波器分别记录CCD相机外触发时刻${t_{21}}$和打印纸运动时刻${t_{22}}$，则${t_2} = {t_{22}} - {t_{21}}$，打印纸运动时刻可以根据阻燃剂喷射后高速摄影的图像帧数以及每帧的间隔时间确定；(4) 重复上述测试过程，求得N次实验的平均值。

图  4  阻燃剂喷射系统响应时间t₂测量方案示意图

Figure  4.  Schematic diagram of response time t₂ measurement scheme for flame retardant injection system

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4.   实验结果与分析

图5为高压点火系统响应时间实测信号，其中点火电压为5 000 V，数据采集卡采样频率为1 MHz，火焰信号灵敏度1 mV/mV，TTL信号10 mV/mV，触发方式为信号触发，07通道信号为TTL电平信号，09通道为电火花信号。

图  5  高压点火系统放电响应时间t₁实测数据

Figure  5.  Experimental data of discharge response time of high voltage ignition system t₁

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重复上述实验，数据如表2所示。

表  2  高压点火系统放电响应时间t₁实验数据

Table  2.  Experimental data on discharge response time of high voltage ignition system t₁

实验序号	t1/μs		实验序号	t1/μs
1	26		N5	23
2	24		N6	24
3	22		N7	20
4	21		N8	22

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8组实验所测得的高压点火系统放电响应时间平均值为22.75 μs，放电产生的电火花光照强度介于500～900 mV之间，本实验的火焰测试系统存在干扰信号，波形特殊，幅值在275 mV左右。

图6为惰性介质阻燃剂喷射系统响应时间测试的高速摄影图，共进行了6次实验，选用3种拍摄速度。图6中的(a)~(f)为每一次实验高速摄影照片中所能找到的第一张打印纸运动照片，图中的白色矩形物为运动的打印纸，白色圆点为惰性阻燃剂喷射孔，6组实验得到的惰性阻燃剂喷射系统响应时间平均值为4.492 ms，表3给出每组实验数据。

图  6  惰性介质阻燃剂喷射系统响应时间测试高速摄影图

Figure  6.  Response time test of injection system for inert medium flame retardants

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表  3  惰性介质阻燃剂喷射系统响应时间t₂实验数据

Table  3.  Inert medium flame retardant injection system response time t₂ experimental data

实验序号	拍摄速率/s−1	照片帧数	响应时间t2/μs
1	4 000	N19	4 500
2	4 000	N20	4 750
3	8 000	N36	4 375
4	8 000	N38	4 625
5	10 000	N45	4 400
6	10 000	N44	4 300

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5.   结　语

在爆炸激波管内瓦斯/空气预混气体爆燃过程测试系统中，多目标耦合时间同步控制是关键，通过设计实验方案，分别测试瓦斯/空气预混气体爆燃系统中高压点火系统和阻燃剂喷射系统的响应时间。多组实验结果表明，高压点火系统的平均响应时间为22.75 μs，阻燃剂喷射系统的平均响应时间为4.492 ms，实验数据为整个实验系统设置合理的延时时间，为获得瓦斯/空气预混气体爆燃流场更精确的微观信息奠定基础。